基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究

吳金玲

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院貴州貴陽(yáng)550023）

導(dǎo)航是指將運(yùn)動(dòng)載體根據(jù)一定規(guī)律沿著設(shè)定軌跡輸送至預(yù)訂目的地這一過(guò)程。早先導(dǎo)航過(guò)程中，因人類對(duì)自然現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不深，主要運(yùn)用相對(duì)直觀的信息，設(shè)計(jì)原理也比較簡(jiǎn)單，這種情況難以保障導(dǎo)航精度。隨著科學(xué)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)導(dǎo)航信息處理提出更高的要求。新時(shí)期設(shè)計(jì)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)主要根據(jù)設(shè)定的導(dǎo)航參數(shù)，在信息實(shí)施不同的處理過(guò)程中，做好主控計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理工作。而導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則結(jié)合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的形式，在各種器件的配置下，完成導(dǎo)航參數(shù)設(shè)置和處理等操作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。本次研究在提高數(shù)據(jù)處理功能、保障信息處理時(shí)效性基礎(chǔ)上，提出基于DSP技術(shù)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以期為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 概述DSP系統(tǒng)構(gòu)成要素

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）是是一門涉及多方面的知識(shí)、應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，其具有接口和編程方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在通信、概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)值分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然數(shù)據(jù)信號(hào)處理理論發(fā)展比較迅速，但在20世紀(jì)80年代之前，由于實(shí)現(xiàn)方式的限制，數(shù)字信號(hào)處理理論并未獲得廣泛運(yùn)用。直至20世紀(jì)70年代，可編程的DSP芯片誕生，才徹底將理論應(yīng)用于實(shí)踐中，進(jìn)一步推動(dòng)新理論及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展[2]。圖1是比較典型的DSP系統(tǒng)，下圖中的輸入信號(hào)可以是語(yǔ)音信號(hào)、模擬信號(hào)等形式。輸入信號(hào)先要進(jìn)行濾波、抽樣處理，隨之采用A/D進(jìn)行變換處理，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，DSP芯片對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)展開(kāi)中處理，例如：開(kāi)展相對(duì)應(yīng)的乘累加操作，獲取所需輸出數(shù)字量[3]。在上述操作基礎(chǔ)上，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬樣值，隨之借助濾波即可獲取連續(xù)的模擬波形。

圖1 典型DSP系統(tǒng)信號(hào)處理

2 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)于該系統(tǒng)導(dǎo)航解算過(guò)程展開(kāi)分析，本研究設(shè)計(jì)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要達(dá)到要求：1）及時(shí)采集激光陀螺儀、溫度傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)：激光陀螺儀、加速器中的信號(hào)是系統(tǒng)進(jìn)行求解必備的輸入信號(hào)，溫度信息則能為激光陀螺儀信號(hào)提供溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)，以此提升導(dǎo)航的精準(zhǔn)度[4]。對(duì)陀螺儀信號(hào)要展開(kāi)解調(diào)、計(jì)數(shù)、濾波等處理，加速度信號(hào)給予可逆計(jì)數(shù)處理；溫度信號(hào)實(shí)施AD轉(zhuǎn)換即可。對(duì)上述信號(hào)開(kāi)展相對(duì)應(yīng)的處理后，利用數(shù)據(jù)總線把信息傳送給DSP完成導(dǎo)航解算。2）完成復(fù)雜、準(zhǔn)確的解算：導(dǎo)航解算作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)重要的任務(wù)之一，其解算的內(nèi)容包含陀螺儀或加速度計(jì)標(biāo)定、校準(zhǔn)等[5]?；谏鲜鲂枨?，本次研究選用DSP作為系統(tǒng)的主處理器，DSP具有運(yùn)算迅速、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于完成導(dǎo)航解算工作，由FPGA主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和通信工作。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件主要包含電源、DSP等模塊，總體框架見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架

2.2 各模塊設(shè)計(jì)情況

2.2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)有DSP、AD轉(zhuǎn)換等多種芯片，且這些芯片所需的電壓有所差異，這種條件下必須設(shè)計(jì)支持輸出多路獨(dú)立的電源模塊。加之，本次研究采用光耦隔離芯片把整個(gè)電路隔離成為沒(méi)有電連接兩個(gè)獨(dú)立的部分，對(duì)兩個(gè)部分之間不可有電連接，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，LM1117作為3.3 V的穩(wěn)壓器件，它輸入、輸出電壓分別為5 V、3.3 V，主要為串口芯片等部分供電。TPS70345PWP芯片輸入電壓同上，但其輸出電壓依次為3.3 V、1.2 V，主要為DSP等導(dǎo)航相關(guān)的部分進(jìn)行供電。上述設(shè)計(jì)，不僅能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可以保障電路安全。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)情況

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

對(duì)溫度或模擬信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，想要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換出來(lái)，并通過(guò)FPGA完成相應(yīng)的處理。同時(shí)，運(yùn)用石英撓性加速度計(jì)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采集，雖然其測(cè)量精度較高，但輸出的是模擬信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸緮?shù)字信號(hào)方可被FPGA采集[6-7]。一般情況下，常利用I/F轉(zhuǎn)換或A/D采樣實(shí)現(xiàn)由模擬至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于I/F轉(zhuǎn)換方法是基于電荷平衡理論實(shí)現(xiàn)的，其借助標(biāo)準(zhǔn)電流Ic組成反積分電荷量，不斷修正及速度計(jì)輸出的積分荷量[8]。I/F轉(zhuǎn)換原理見(jiàn)圖4。

圖4 I/F轉(zhuǎn)換信號(hào)

2.2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

為保障輸出導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度等內(nèi)容，本文選取RS-422與上位機(jī)實(shí)施通信，在通信模塊內(nèi)添加光耦隔離芯片，電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。該芯片能有效把電路隔離成兩個(gè)部分，因電路之間不具有直接電連接，能避免產(chǎn)生比不必要干擾，提升電路的安全性[9]。

圖5 通信模塊電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下功能：依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)初始化數(shù)據(jù)的要求，由外部獲取初始位置信息、姿態(tài)角度；及時(shí)采集加速度計(jì)、陀螺輸出的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量[10]。同時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算角速度、加速度等信息。此外，對(duì)于系統(tǒng)和GPS輸出的速度及位置信息，綜合各自誤差方程，利用卡爾曼濾波法進(jìn)行求解，估算可能出現(xiàn)的誤差，并依據(jù)這個(gè)誤差值，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)償處理，以此獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)、速度信息，并將其傳輸至控制單元上[11]。主要功能見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件功能框圖

3.2 DSP啟動(dòng)加載模塊

啟動(dòng)加載作為DSP獨(dú)特的應(yīng)用程序運(yùn)行方法，當(dāng)DSP系統(tǒng)連上電后，會(huì)把FLASH芯片內(nèi)的應(yīng)用程序慢慢搬移至內(nèi)部或RAM內(nèi)，并由外擴(kuò)的RAM執(zhí)行相應(yīng)的程序[12]。由于所用芯片內(nèi)包含IK字節(jié)的空間，因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)編寫(xiě)一段程序，方可實(shí)現(xiàn)以下操作：1）設(shè)置合理的EMIF參數(shù)，就是對(duì)外部RAM進(jìn)行初始化操作；2）把FLASH上面的應(yīng)用程序搬移至最佳位置；將程序控制權(quán)上交至RAM應(yīng)用程序中。編寫(xiě)的小程序與導(dǎo)航程序依次進(jìn)行編譯，均燒寫(xiě)至FLASH芯片內(nèi)，如此系統(tǒng)充上電后，方可執(zhí)行啟動(dòng)加載過(guò)程。

3.3 GPS信息接收模塊

GPS能夠提供時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、定位星數(shù)等信息，這些均由一組連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)代表，主要包括信息頭、信息體和結(jié)尾，其中，信息頭設(shè)定固定、信息長(zhǎng)度、信息號(hào)字節(jié)均為1個(gè)[13]。信息體包含多個(gè)字節(jié)，主要表示各類定位信息，一般由8個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)、4個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)代表[14]。對(duì)多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)而言，通常低字節(jié)設(shè)置在前，高字節(jié)處于后邊，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)接受一系列字節(jié)數(shù)據(jù)后，必須根據(jù)上述定義，把這一連續(xù)字節(jié)轉(zhuǎn)變成為所需的經(jīng)緯度等信息。GPS接收機(jī)能夠發(fā)出多組數(shù)據(jù)信息，上述信息借助信息頭進(jìn)行區(qū)分，不同信息號(hào)表示相對(duì)應(yīng)的信息組[15]。因此，在采集數(shù)據(jù)操作時(shí)，要依據(jù)信息號(hào)評(píng)估所接收的數(shù)據(jù)是否需要。GPS接收機(jī)及時(shí)接受相應(yīng)的連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)，并在串口中斷內(nèi)完成，其框圖見(jiàn)圖7。

圖7 GPS信息接收流程圖

3.4 控制模塊設(shè)計(jì)

由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向比較復(fù)雜、時(shí)序較多，為提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須借助控制模塊協(xié)調(diào)不同模塊之間的通信，控制時(shí)序并合理規(guī)劃各類數(shù)據(jù)的流向。具體來(lái)說(shuō)，就是運(yùn)用FIFO讀寫(xiě)控制和串口通信模塊實(shí)現(xiàn)。異步FIFO作為連接DSP與其他數(shù)據(jù)之間的橋梁，會(huì)把采集的信號(hào)借助FIFO傳遞給數(shù)據(jù)總線，便于DSP進(jìn)行讀取，以此規(guī)定正方向。如果需要FIFO把通過(guò)DSP解算處理后的信息反饋處理，設(shè)定其為反方向。DSP正向處理FIFO傳送信息實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 測(cè)試組合導(dǎo)航解算時(shí)間

CCS6000C語(yǔ)言調(diào)試系統(tǒng)具有編譯、連接等功能，其中，優(yōu)化處理功能對(duì)提升程序運(yùn)行效率、縮短運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生積極地影響。在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上展開(kāi)測(cè)試，只需編程組合導(dǎo)航算法，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而測(cè)試導(dǎo)航算法在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上所用的運(yùn)算時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由下列數(shù)據(jù)可知，與不優(yōu)化對(duì)比，通過(guò)函數(shù)級(jí)優(yōu)化約能縮短3倍左右的運(yùn)行時(shí)間。加之，借助程序內(nèi)的關(guān)鍵循環(huán)展開(kāi)各項(xiàng)操作，從而充分運(yùn)用TMS320C67X的8級(jí)流水線，程序運(yùn)行效率還會(huì)有一定程度的提升。此外，使用最高級(jí)別優(yōu)化-O3運(yùn)算數(shù)量明顯提高，但不能展開(kāi)測(cè)試。

表1 卡爾曼濾波算法檢測(cè)結(jié)果

4.2 測(cè)試計(jì)脈沖數(shù)

對(duì)于陀螺或加速度計(jì)所輸出的電壓信號(hào)實(shí)施轉(zhuǎn)換處理后，輸出正負(fù)電壓相對(duì)應(yīng)的正負(fù)脈沖信號(hào)。如果電壓為正數(shù)，正脈沖輸出電壓大小相應(yīng)的脈沖信號(hào)，負(fù)脈沖并未輸出脈沖信號(hào)。對(duì)正負(fù)脈沖展開(kāi)計(jì)數(shù)操作，計(jì)數(shù)大小表示陀螺或加速度計(jì)輸出信息情況[16]。測(cè)試方法：借助信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓信號(hào)代替陀螺或加速度計(jì)輸出值，通過(guò)v-F轉(zhuǎn)換操作后，組成兩路脈沖信號(hào)并將其與計(jì)數(shù)器板、DSP導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，以此模擬采集所需的信號(hào)。圖8表示測(cè)試曲線，分析該圖發(fā)現(xiàn)，兩路脈沖輸出均為半正弦，處在兩路信號(hào)換向位置采集比較正常，與頻率計(jì)測(cè)試結(jié)果相比，數(shù)據(jù)正確并未出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖中出現(xiàn)兩路半正弦信號(hào)幅值并不相同，是由于V-F轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)偏置引起的，這種偏置并不影響最終的采集和解算結(jié)果。

圖8 正弦信號(hào)脈沖測(cè)量曲線

5 結(jié) 論

綜上所述，運(yùn)用DSP技術(shù)對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，不僅能對(duì)程序?qū)嵤﹥?yōu)化處理，也能有效改善導(dǎo)航的進(jìn)度和準(zhǔn)確性。本文以DSP技術(shù)為研究視角，通過(guò)分析DSP系統(tǒng)主要構(gòu)成及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出導(dǎo)航計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件各模塊設(shè)計(jì)，并對(duì)計(jì)脈沖數(shù)、組合導(dǎo)航解算時(shí)間展開(kāi)測(cè)試，驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)的有效性、可行性，以期為類似研究提供一定指導(dǎo)。

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